(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段を使用し、燃料電池スタックの温度が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整するようにして、システム全体が大型化することなく、システム構造を簡素化することができ、燃料電池スタックの温度を迅速に均一化させることができるようにする。【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、燃料電池スタックの複数部分の温度を検出する温度検出器と、燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、燃料電池スタックの温度が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整して燃料電池スタックの温度を均一化させる制御手段とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの複数部分の温度を検出する温度検出器と、
前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、
前記燃料電池スタックの温度が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整して前記燃料電池スタックの温度を均一化させる制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却手段は前記空気流路に空気を供給するファンである請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却手段は前記空気流路に水を供給するノズルであり、
前記制御手段は前記燃料電池スタックの温度が高い部分に対応するノズルの給水量を増加させ、温度が低い部分に対応するノズルの給水量を減少させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの複数部分の端子電圧を検出する電圧検出器と、
前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、
前記燃料電池スタックの出力が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力変化の履歴に応じて、冷却手段の冷却能力を調整する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池スタックの複数部分の温度を検出する温度検出器を有し、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力変化の履歴と温度とから、出力が低い部分の出力低下原因を特定し、冷却手段の冷却能力を調整する請求項５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００４】
ところで、燃料電池の電気化学反応には発熱を伴うため、例えば、燃料電池を多数積層して燃料電池スタックを構成した場合、各部分において温度のばらつきが発生することがある。温度のばらつきが発生すると、温度の上昇した部分の性能が低下し、燃料電池全体の性能が低下したり、寿命が短くなったりしてしまう。そこで、燃料電池から漏れ出た水素ガスを換気するために燃料電池の周囲をケースで覆った燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度に応じて、前記ケースに導入される換気用の空気の流量を調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１９２８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の周囲をケースで覆い、該ケース内に換気用の空気を供給する必要があるので、システム全体が大型化かつ複雑化してしまう。また、前記ケース内全域を流れる換気用の空気の流量を調整するので、燃料電池の局所的な温度の変化に迅速かつ適切に対応することが困難である。
【０００６】
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段を使用し、燃料電池スタックの温度が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整するようにして、システム全体が大型化することなく、システム構造を簡素化することができ、燃料電池スタックの温度を迅速に均一化させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの複数部分の温度を検出する温度検出器と、前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、前記燃料電池スタックの温度が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整して前記燃料電池スタックの温度を均一化させる制御手段とを有する。
【０００８】
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却手段は前記空気流路に空気を供給するファンである。
【０００９】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却手段は前記空気流路に水を供給するノズルであり、前記制御手段は前記燃料電池スタックの温度が高い部分に対応するノズルの給水量を増加させ、温度が低い部分に対応するノズルの給水量を減少させる。
【００１０】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの複数部分の端子電圧を検出する電圧検出器と、前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、前記燃料電池スタックの出力が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整する制御手段とを有する。
【００１１】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力変化の履歴に応じて、冷却手段の冷却能力を調整する。
【００１２】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池スタックの複数部分の温度を検出する温度検出器を有し、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力変化の履歴と温度とから、出力が低い部分の出力低下原因を特定し、冷却手段の冷却能力を調整する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの複数部分の温度を検出する温度検出器と、前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、前記燃料電池スタックの温度が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整して前記燃料電池スタックの温度を均一化させる制御手段とを有する。
【００１４】
この場合、燃料電池スタックの温度を迅速に均一化させることができ、水詰まりの発生を防止することができ、燃料電池スタック全体の出力を増加させることができる。
【００１５】
他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却手段は前記空気流路に空気を供給するファンである。
【００１６】
この場合、燃料電池スタックの温度の高い部分により多くの空気が供給されるので、空気によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が低下する。また、湿度も上昇して、当該部分の出力が増加する。
【００１７】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却手段は前記空気流路に水を供給するノズルであり、前記制御手段は前記燃料電池スタックの温度が高い部分に対応するノズルの給水量を増加させ、温度が低い部分に対応するノズルの給水量を減少させる。
【００１８】
この場合、燃料電池スタックの温度の高い部分により多くの水が供給されるので、水によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が低下する。また、湿度も速やかに上昇して、当該部分の出力が増加する。
【００１９】
更に他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの複数部分の端子電圧を検出する電圧検出器と、前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、前記燃料電池スタックの出力が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整する制御手段とを有する。
【００２０】
この場合、温度検出器を使用することなく、燃料電池スタックの温度の偏在を把握することができる。そして、燃料電池スタックの温度を迅速に均一化させることができ、水詰まりの発生を防止することができ、燃料電池スタック全体の出力を増加させることができる。
【００２１】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力変化の履歴に応じて、冷却手段の冷却能力を調整する。
【００２２】
この場合、燃料電池スタックにおいて温度が高く乾燥している部分を適確に把握して、当該部分の温度を低下させ、湿度を上昇させて、当該部分の出力を増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す三面図である。なお、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は上面図、図１（ｃ）は正面図である。
【００２５】
図において、１１は複数の燃料電池セル（ＦＣ）から構成される燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と、バッテリ、キャパシタ等から成る蓄電手段とを併用して使用することが望ましい。
【００２６】
そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。
【００２７】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００２８】
本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路とカソードガスとしての空気の流路とを分離するセパレータとを１セットとして、板厚方向に複数のセットを積層して構成されている。
【００２９】
そして、単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜の一側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極及び燃料極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流が透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、水素ガスが透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。
【００３０】
前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、セパレータの燃料極側に形成された水素ガス流路としての燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。
【００３１】
そして、燃料電池スタック１１には、図示されない燃料供給システムによって、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。なお、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【００３２】
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段から、燃料供給管路を通って、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の入口に供給される。この場合、前記燃料貯蔵手段は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。そして、前記燃料供給管路には、燃料供給開閉弁、圧力センサ、燃料圧力調整弁等が配設される。
【００３３】
また、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路を通って燃料電池スタック１１外に排出される。前記燃料排出管路には、回収容器としての水回収ドレインタンクが配設されている。そして、該水回収ドレインタンクには水と分離された水素ガスを排出する燃料排出管路が接続され、該燃料排出管路における水回収ドレインタンクと反対側の端部が燃料供給管路に接続されていることが望ましい。これにより、燃料電池スタック１１外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。
【００３４】
また、前記水回収ドレインタンクには、起動用燃料排出管路が接続され、燃料電池スタック１１の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、前記燃料排出管路及び起動用燃料排出管路には電磁開閉弁等が配設され、燃料電池スタック１１外に排出された水素ガスの流れを制御することができるようになっている。また、前記燃料排出管路の途中には、必要に応じて吸引循環ポンプ等を配設し、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の出口から排出される水素ガスを強制的に吸引して燃料ガス流路内を負圧の状態にしたり、排出された水素ガスを循環させたりするようにしてもよい。
【００３５】
一方、酸化剤としての空気は、図示されないエアフィルタを通って、酸化剤供給源としてのファン２２に吸引され、燃料電池スタック１１の上側、すなわち、酸化剤入口側としての空気入口側に取り付けられた空気供給室１２内に供給される。該空気供給室１２は、図示される例においては矩（く）形の断面形状を備える筒状体であるが、燃料電池スタック１１の空気入口側面と同等の形状及び面積の断面を備えるものであれば、いかなる形状のものであってもよい。
【００３６】
本実施の形態において、前記ファン２２は複数であり、燃料電池スタック１１の空気入口側面に対向するように配設され、各ファン２２は、対向する燃料電池スタック１１の各部分に空気を供給するようになっている。図示される例において、ファン２２は１５個であり、等間隔に配置され、燃料電池スタック１１における各ファン２２に対応する部分に、それぞれ、空気を供給する。そして、前記ファン２２によって供給された空気は、燃料電池スタック１１の酸素室、すなわち、空気流路に供給され、酸化剤として機能する。また、前記ファン２２によって供給された空気は、燃料電池スタック１１を冷却する機能も備える。すなわち、前記ファン２２の各々は、空気を供給することによって、燃料電池スタック１１の対応する部分を冷却する冷却手段としても機能する。
【００３７】
また、前記空気供給室１２には、複数のノズル２３が燃料電池スタック１１の空気入口側面に対向するように配設され、各ノズル２３は、対向する燃料電池スタック１１の各部分に水を供給するようになっている。なお、前記ノズル２３には、図示されない水供給ポンプによって、水タンクに貯留された水が供給される。燃料電池スタック１１の空気流路に供給される空気中に前記ノズル２３から水をスプレーして供給することによって、燃料電池スタック１１の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持することができる。図示される例において、ノズル２３は、８個であってファン２２の間に等間隔に配置され、燃料電池スタック１１における各ノズル２３に対応する部分に、それぞれ、水を供給する。また、前記ノズル２３によって供給された水は、燃料電池スタック１１を冷却する機能も備える。すなわち、前記ノズル２３の各々は、水を供給することによって、燃料電池スタック１１の対応する部分を冷却する冷却手段としても機能する。
【００３８】
そして、燃料電池スタック１１の空気流路から排出される空気は、燃料電池スタック１１の下側、すなわち、酸化剤出口側としての空気出口側に取り付けられた空気排出室１３内に排出され、さらに、該空気排出室１３に接続された接続ダクト１４及び排気ダクト１５を通って、大気中に排出される。なお、排気ダクト１５に凝縮器を配設し、燃料電池スタック１１から排出された空気を冷却して凝縮した水分を分離、回収することが望ましい。回収された水分を水タンクに戻し、該水タンクに接続された水供給管路を介して、再度、ノズル２３から水をスプレーすることによって、水分を有効に再利用することができ、水タンクを小型化することができる。
【００３９】
前記空気排出室１３は、図示される例においては矩形の断面形状を備える筒状体であるが、燃料電池スタック１１の空気出口側面と同等の形状及び面積の断面を備えるものであることが望まし。そして、前記空気排出室１３には、複数の温度検出器２１が燃料電池スタック１１の空気出口側面に対向するように配設され、各温度検出器２１は、対向する燃料電池スタック１１の空気流路から排出される空気の温度を検出する。図示される例において、温度検出器２１は、１５個であって等間隔に前記ファン２２と同様に配置され、燃料電池スタック１１における各ファン２２に対応する部分から排出される空気の温度を検出する。これにより、各温度検出器２１は、燃料電池スタック１１の対応する各部分の温度を検出することができる。
【００４０】
なお、前記ファン２２、ノズル２３及び温度検出器２１の数及び配置の態様は、任意に設定することができる。
【００４１】
本実施の形態において、各ファン２２の動作は各々独立して制御することができ、各ファン２２の風量を独立して調整し、燃料電池スタック１１の対応する部分を冷却する能力を調整することができる。これにより、燃料電池スタック１１の所望の部分の温度を調整することができる。同様に、各ノズル２３の動作も各々独立して制御することができ、各ノズル２３の給水量を独立して調整し、燃料電池スタック１１の対応する部分を冷却する能力を調整することができる。これにより、燃料電池スタック１１の所望の部分の温度を調整することができる。さらに、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給される水素ガスの量を調整することによって、燃料電池スタック１１を冷却する能力を調整することができる。この場合、燃料供給管路に配設された燃料供給開閉弁や燃料圧力調整弁、燃料排出管路及び起動用燃料排出管路に配設された電磁開閉弁、吸引循環ポンプ等が燃料ガス供給量調整手段として機能する。
【００４２】
また、燃料電池スタック１１の複数の単位セルに、図示されない電圧検出器を取り付けることによって、燃料電池スタック１１の各部分における端子電圧、すなわち、単位セルの起電力である単セル電圧を検出することができる。通常、単位セルの温度が上昇するとセル電圧が低下するので、前記電圧検出器によって検出された電圧により、燃料電池スタック１１の各部分における温度の変化を把握することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、温度検出器２１、圧力センサ、電圧検出器、その他のセンサから燃料電池スタック１１に供給される水素、空気、水等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記ファン２２、ノズル２３、燃料供給開閉弁、燃料圧力調整弁、電磁開閉弁、吸引循環ポンプ、水供給ポンプ等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御手段と連携して、燃料電池システムの動作を統括的に制御する。
【００４４】
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。
【００４５】
図２は本発明の実施の形態における燃料電池の性能と温度及び湿度との関係を示すグラフ、図３は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの一部分の性能が低下した場合の単セル電圧の変化を示すグラフである。
【００４６】
固体高分子型燃料電池の出力は、温度及び湿度に影響される。図２は、本発明の発明者が実験を行い、燃料電池の性能と温度及び湿度との関係をプロットして得られたグラフであり、曲面Ａが前記燃料電池の性能が温度及び湿度によって変化する様子を示している。なお、図２において、縦軸は単位面積当たりの電流が１．０〔Ａ〕である場合の電圧〔Ｖ〕を示す軸、横軸は温度〔℃〕及び湿度〔％ＲＨ〕を各々示す軸である。
【００４７】
そして、図２から、温度が上昇し、かつ、湿度が低下すると燃料電池の性能が最も低下することが分かる。一般的な燃料電池の運転状況では、温度が上昇すると固体高分子電解質膜の空気極及び燃料極の水分が蒸発して湿度が低下する。そこで、本実施の形態においては、温度検出器２１によって検出した燃料電池の温度のみに着目して燃料電池の性能の低下を把握する場合についてのみ説明する。
【００４８】
また、微細に観ると、固体高分子電解質膜の空気極側と燃料極側とでは温度が相違する可能性があるが、燃料電池における電池反応は、空気極側において起きるので、空気極側の温度に着目して空気極側の温度を調節するほうが望ましい。そこで、本実施の形態においては、固体高分子電解質膜の空気極側に形成されている空気流路から排出された空気の温度を温度検出器２１によって検出することにより、燃料電池スタック１１の各部分の温度として把握する。また、各ファン２２の風量及び各ノズル２３の給水量を調整することによって、主として、燃料電池スタック１１の各部分における固体高分子電解質膜の空気極側の温度を調整する。
【００４９】
まず、燃料電池システムにおける定常運転時には、制御手段は、各温度検出器２１からの出力信号に基づいて、検出された燃料電池スタック１１の各部分の温度を監視する。そして、温度が偏在していることを把握すると、すなわち、燃料電池スタック１１のいずれかの部分の温度が他の部分よりも高くなっているか、又は、低くなっていることを把握すると、当該部分に対応するファン２２及び／又はノズル２３の動作を制御して、その冷却能力を調整し、当該部分の温度を他の部分の温度と同等にさせる。すなわち、燃料電池スタック１１の温度を均一化させる。
【００５０】
なお、前述のように、燃料電池の温度が低い場合の性能低下よりも温度が高い場合の性能低下の方が大きいので、ここでは、燃料電池スタック１１のいずれかの部分の温度が他の部分よりも高い場合の動作についてのみ説明する。
【００５１】
そして、燃料電池スタック１１のいずれかの部分の温度が他の部分よりも高くなっていると、制御手段は、当該部分に対応するファン２２の風量を増加させる。これにより、燃料電池スタック１１の温度の高い部分における空気流路により多くの空気が供給されるので、空気によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も上昇して、当該部分の出力が増加する。そして、当該部分に対応する温度検出器２１によって検出された温度が他の部分の温度と同等になると、前記ファン２２の風量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック１１の温度を均一化させ、燃料電池スタック１１全体の出力を増加させることができる。
【００５２】
同様に、燃料電池スタック１１のいずれかの部分の温度が他の部分よりも高くなっている場合、制御手段は、当該部分に対応するノズル２３の給水量を増加させることもできる。これにより、燃料電池スタック１１の温度の高い部分における空気流路により多くの水が供給されるので、水によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も速やかに上昇して、当該部分の出力が増加する。そして、当該部分に対応する温度検出器２１によって検出された温度が他の部分の温度と同等になると、前記ノズル２３の給水量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック１１の温度を均一化させ、燃料電池スタック１１全体の出力を増加させることができる。
【００５３】
さらに、燃料電池スタック１１のいずれかの部分の温度が他の部分よりも高くなっている場合、制御手段は、当該部分に対応するファン２２の風量を増加させるとともに、ノズル２３の給水量も増加させることもできる。これにより、燃料電池スタック１１の温度の高い部分における空気流路により多くの空気及び水が供給されるので、該空気及び水によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が速やかに低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も速やかに上昇して、当該部分の出力が増加する。そして、当該部分に対応する温度検出器２１によって検出された温度が他の部分の温度と同等になると、前記ファン２２の風量及びノズル２３の給水量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック１１の温度を速やかに均一化させ、燃料電池スタック１１全体の出力を増加させることができる。
【００５４】
なお、燃料電池スタック１１の温度の低い部分においては、空気流路において生成された水、すなわち、生成水が凝縮していることが考えられる。そこで、ノズル２３の給水量を調整して燃料電池スタック１１の温度を均一化させる場合には、温度が他の部分よりも低くなっている部分に対応するノズル２３の給水量を減少させることが望ましい。これにより、温度の低い部分における水詰まりの発生を防止することができる。
【００５５】
前述のように、温度が上昇すると燃料電池の性能が低下するのであるから、電圧検出器によって検出された電圧により、燃料電池スタック１１の温度が偏在していることに起因して出力が偏在していることを把握することができる。この場合、温度検出器２１を省略して、コストを低減することができる。
【００５６】
図３は、本発明の発明者が実験を行い、燃料電池の一部分の温度が上昇した場合の各単セル電圧の変化をプロットして得られたグラフである。温度が上昇した部分の単セル電圧が他の部分の単セル電圧よりも低下していることが分かる。なお、燃料電池の出力が低下する原因として、温度が高くなり、電解質膜が乾燥したこと、もしくは、生成水がガス流露を塞いだことが考えられるが、ここでは、燃料電池スタック１１のいずれかの部分で温度が上昇したことを原因として出力が低下した場合の動作についてのみ説明する。
【００５７】
この場合、燃料電池スタック１１のいずれかの部分の端子電圧が低下すると、制御手段は、当該部分に対応するファン２２の風量を増加させる。これにより、燃料電池スタック１１の温度の高い部分における空気流路により多くの空気が供給されるので、空気によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も上昇して、当該部分の出力が増加し、端子電圧が上昇する。そして、当該部分に対応する電圧検出器によって端子電圧が他の部分の端子電圧と同等になると、前記ファン２２の風量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック１１の温度を均一化させ、燃料電池スタック１１全体の出力を増加させることができる。
【００５８】
同様に、燃料電池スタック１１のいずれかの部分の端子電圧が低くなっている場合、制御手段は、当該部分に対応するノズル２３の給水量を増加させることもできる。これにより、燃料電池スタック１１の温度の高い部分における空気流路により多くの水が供給されるので、水によって奪われる熱量が増加して当該部分の温度が低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も上昇して、当該部分の出力が増加し、端子電圧が上昇する。そして、当該部分に対応する電圧検出器によって端子電圧が他の部分の端子電圧と同等になると、前記ノズル２３の給水量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック１１の温度を均一化させ、燃料電池スタック１１全体の出力を増加させることができる。
【００５９】
さらに、燃料電池スタック１１のいずれかの部分の端子電圧が低くなっている場合、制御手段は、当該部分に対応するファン２２の風量を増加させるとともに、ノズル２３の給水量も増加させることもできる。これにより、燃料電池スタック１１の温度の高い部分における空気流路により多くの空気及び水が供給されるので、該空気及び水によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が速やかに低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も上昇して、当該部分の出力が増加し、端子電圧が速やかに上昇する。そして、当該部分に対応する電圧検出器によって端子電圧が他の部分の端子電圧と同等になると、前記ファン２２の風量及びノズル２３の給水量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック１１の温度を速やかに均一化させ、燃料電池スタック１１全体の出力を増加させることができる。
【００６０】
また、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給される水素ガスの量を調整することによって、燃料電池スタック１１を冷却する能力を調整することもできる。一般的な燃料電池の運転状況では、燃料ガス流路内の水素ガスは、ほとんど流動することなく、実質的に燃料ガス流路内で停滞した状態にある。そこで、燃料ガス供給量調整手段として機能する燃料供給開閉弁、燃料圧力調整弁、電磁開閉弁、吸引循環ポンプ等を作動させて、燃料ガス流路に供給される水素ガスの量を増加させ、燃料ガス流路内の水素ガスを流動させると、該水素ガスによって奪われる熱量が増加して燃料ガス流路内の温度が低下する。
【００６１】
この場合、端子電圧が低下して燃料電池スタック１１の出力が低下していると判断すると、制御手段は、前記燃料供給開閉弁、燃料圧力調整弁、電磁開閉弁、吸引循環ポンプ等を作動させて、燃料ガス流路に供給される水素ガスの量を増加させる。これにより、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路により多くの水素ガスが供給されるので、該水素ガスによって奪われる熱量が増加して燃料電池スタック１１の温度が低下し、燃料電池スタック１１の出力が増加して端子電圧が上昇する。そして、電圧検出器によって検出された端子電圧に基づいて、燃料電池スタック１１の出力が復帰したと判断すると、水素ガスの量を通常に戻す。
【００６２】
また、燃料電池スタック１１の出力変化の履歴とから、出力が低い部分の出力低下原因を特定し、燃料電池スタック１１の温度を調整することもできる。なお、前記履歴は、過去から現時点までの所定期間に亘（わた）る燃料電池スタック１１の各部分における端子電圧の変化を記録したものであり、制御手段が備える記憶手段に格納されている。
【００６３】
そして、燃料電池スタック１１のいずれかの部分の端子電圧が低いと、制御手段は、当該部分の端子電圧の記録をチェックし、端子電圧が緩やかに下降しているとき、すなわち、出力が緩やかに下降しているときは、当該部分の温度が高く、かつ、固体高分子電解質膜が乾燥していると判断する。そして、当該部分に対応するファン２２の風量を増加させ、及び／又は、ノズル２３の給水量も増加させる。これにより、当該部分の温度が速やかに低下し、固体高分子電解質膜の湿度が上昇するので、当該部分の出力が増加し、端子電圧が上昇する。
【００６４】
また、前記端子電圧が低いところで変動しているとき、制御手段は、当該部分の温度が低く、かつ、生成水が凝縮しているものと判断し、当該部分に対応するファン２２の風量を減少させ、及び／又は、ノズル２３の給水量も減少させる。これにより、凝縮した生成水が蒸発し、水詰まりが解消するので、当該部分の出力が増加し、端子電圧が上昇する。なお、当該部分の温度が低く、かつ、生成水が凝縮しているものと判断した場合、ファン２２の風量を増加させ、及び／又は、ノズル２３の給水量も増加させ、又は、オンオフを繰り返し、当該部分に衝撃を与えることによって、凝縮した生成水を排除することもできる。これにより、水詰まりが解消するので、当該部分の出力が増加し、端子電圧が上昇する。
【００６５】
このように、本実施の形態においては、燃料電池スタック１１の複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段としてのファン２２及びノズル２３を使用し、燃料電池スタック１１の温度が偏在する部分に対応するファン２２及び／又はノズル２３の冷却能力を調整するようになっている。これにより、燃料電池スタック１１の温度を迅速に均一化させることができ、出力を増加させることができる。また、システム全体が大型化することなく、システム構造が複雑化することもない。
【００６６】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す三面図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池の性能と温度及び湿度との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの一部分の性能が低下した場合の単セル電圧の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
１１    燃料電池スタック
２１    温度検出器
２２    ファン
２３    ノズル
【図１】
2007323993.tif 000003
【図２】
2007323993.tif 000004
【図３】
2007323993.tif 000005